自顶向下的设计方法在机械建模教学中的应用分析

2012-04-12胡文静

时代农机 2012年5期

胡文静

（大连海洋大学职业技术学院，辽宁房店 116300）

1 认识自顶向下的设计方法

（1）自顶向下设计方法的概念。所谓的自顶向下的设计方法可以通俗的理解为在设计中首先从整体和全局的设计人手，然后按照总体设计方案对各个具体的部分进行详细的设计。说的具体一点就是设计者首先从整体上规划整个系统的功能架构，然后对系统进行合理划分，将其分解为若干个功能较为简单的、规模较小的局部模块，并确立它们之间的相互关系。

（2）自顶向下设计方法的理论模型。支持自顶向下的机械设计，一般从概念设计开始，通过功能分解，将总功能分解成一系列的子功能，在确定每个子功能的相关参数后，开展系统结构设计，然后有效结合总体功能及各个子功能的具体要求，明确总体结构与各子部件之间的配合关系、连接关系以及位置关系等其他关系，而且相应的关系要与每个子功能的相关参数想关联。

（3）自顶向下的设计方法的特点笔者查阅相关文献，总结认为，自顶向下的设计方法具有如下几个方面的特点:①自顶向下的设计方法符合产品设计人员的思维过程。设计人员在设计产品时，考虑最多的就是产品所要实现的功能。刚开始的时候很少考虑实现这些功能的空间结构，也就是说产品的设计过程是一个从抽象到具体的过程，而自顶向下的设计方法实现的就是这样一个过程，所以说它符合产品设计人员的思维过程。②自顶向下的设计方法可以实现设计的并行操作。由于整个设计是从系统顶层开始的，结合模拟手段，可以从一开始就掌握所实现系统的性能状况，结合应用领域的具体要求，在此时就调整设计方案，进行性能优化或折衷取舍，并通过协调各个子功能模块之间的关系，实现并行设计，从而提高设计效率。③自顶向下的设计方法可以有效缩短设计周期。随着设计层次向下进行，系统性能参数将得到进一步的细化与确认并随时可以根据需要加以调整，从而不仅保证了设计结果的正确性，还可以大大缩短设计周期。

2 自顶向下的设计方法的具体应用

自顶向下的设计方法在实际机械建模设计中的具体应用中的设计过程包括如下几个环节:产品、部件以及零件之间的依附关系、产品装配树的建立、产品级控制结构的建立、产品级控制结构的发布以及产品的详细设计。以下将分别给予详细的说明。

（1）明确产品、部件以及零件之间的依附关系。自顶向下设计中明确产品、部件以及零件之间的依附关系事自顶向下的建模方法中最为重要的一环。明确产品、部件以及零件之间的依附关系可以有效控制整个产品的变形设计，其中由于关联到的相关部件和零件的特征是以链接特征的形式体现的，这样就实现了大型产品的并行和协同设计，提高了产品的设计效率。

（2）产品装配树的构建。产品装配树建立的过程并非是一次性完成的，需要根据实际的需要，充分结合自顶向下设计方法的要求，逐步地添加产品各层子所需要的部件或零件，来实现产品装配树的构建。其中产品装配树的建立过程如下:首先，要明确的问题就是产品的功能问题，以及实现相应的功能所需要的系统结构及其性能问题。在搞清楚上述问题的基础上就可以大体上确定产品应由哪些部件组成，即可以明确产品的组成部分以及各组成部件间的相互关系。这样一来就可以建立产品装配树的第一层，即产品的部件组成；其次，要详细分析第一层各部件的组成和功能，据此来有效构建装配树的下一层；最后，明确各单个零件的功能，建立最终的产品装配树。

（3）产品控制结构的构建。产品控制结构处于产品装配树的顶层，由于自顶向下设计方法具有构建相关的特点，即产品装配树的构建与产品控制结构的构建之间是相互关联的，产品控制结构的构建过程与产品装配树的构建过程是一致的，不同的是产品控制结构的各种特征是从产品设计过程中抽象出来的，产品控制结构能有效控制有效反应整个自顶向下设计方法的整个设计流程。

（4）产品控制结构的发布。在完成产品控制结构的构建工作后，需要根据产品中不同部件的需求，将构建的产品控制结构有选择的发布到各部件中，这样一来各部件中就具备了从上层继承而来的一些特征，并在这些特征的基础上来构建新的特征，这样的话各部件之间的特征就建立了关联。以此类推，直至产品中所包含的各个零件，产品控制结构就这样会层层的继承下去，完成产品控制结构的完全发布。

（5）进行产品的详细设计。在完成上述工作的基础上，就可以充分掌握产品单个零件来自上层的关联特征，就可以根据这些关联特征来构造零件，结合产品及其各个子模块的功能需求来，按照自顶向下设计方法的具体要求来进行产品的详细设计。

3 自顶向下的设计方法在实际应用中存在的问题

（1）设计时不能充分考虑零件与零件以及零件与部件之间的关系。自顶向下的设计方法在实际机械建模应用中是从零件的建模设计开始的，以至于很多的机械建模设计人员考虑较多的往往是零件特征之间的关联，而严重忽略了零件与零件以及零件与部件之间的相互关系，然而这种关系多是是在零件建模完成后，根据部件之间的几何关系建立起来的，如果不能充分考虑零件与零件以及零件与部件之间的关系，势必会对最终产品建模的结果带来严重的影响。

（2）对产品的设计建模缺乏系统的分析。在复杂产品的建模中各零部件之间的关系往往是错综复杂的，其相互之间的关联有的存在于多个零部件之间，有的则存在于整个产品中，自顶向下的设计方法在实际机械建模中，不同的功能子模块是由不同的人员来分工完成的，由于对产品的设计建模缺乏系统的分析，以至于在产品建模过程中就难以建立各零部件之间的关联，进而就不能实施有效的统一管理，这非常不利于机械产品建模的实施。

（3）缺少专业的技术人才。笔者作为一名职业学校的机械专业教师，结合自己的多年教学经验，个人认为当前多数的机械设计人员对基于现代技术的自顶向下的设计方法还没有很好的适应，而且不少机械设计人员过多的关注于工程实践，没有时间学习自顶向下的设计方法应用于机械建模的相关知识，而且相应的培训活动也比较少，以至于专业的技术人才比较缺乏，致使自顶向下的设计方法在实际机械建模中的应用还不够普及。